努尔哈赤攻占沈阳以后，就召庥诸贝勒大臣商议攻打辽阳，在决定攻打辽阳以后，努尔哈赤率大军开始向辽阳进发。
辽阳是明朝辽东的首府，是东北政治、经济、军事和文化的中心。辽阳城坚池固，外围城濠，沿濠列火器，环城设重炮。沈阳、奉集陷落后，辽阳失去屏障。初，辽阳恃沈阳、奉集二城为藩蔽，而沈东捍建州，西障土蛮，较奉集更重。沈阳既陷，奉集失掎角之势，亦没。时骁将劲卒，皆萃沈、奉，辽兵不满万。经略袁应泰得到沈阳失陷的败报之后，急檄撤各路兵守辽阳。他下令引太子河水注濠，缘城布兵，加强防守。
此时，论兵数，明多于金。论地形，明防守，得地利。熊廷弼在任时，大修城池，辽阳城墙十分坚固，又高又大，高达三丈三尺，又引入太子河水，灌满护城深壕。熊廷弼还准备了上万门炮，其中七门大炮，是兵部协理戎政尚书黄克缵专门召募能铸吕宋大铜炮的高超工匠来京铸造的，最重的炮重三千余斤，其余的炮重千余斤、二千余斤，一发可击毙敌兵数百人，威力很大。
十三万大军，战将百员，枪炮众多，城坚壕深，防守相当严密。辽阳城守备说“(明官)放太子河水于壕，塞其西闸，内列火器于城上，排兵四面，守御甚严”。朝鲜文献甚至记述了后金军望城生畏的情形，指出“(八旗军队)至辽阳，望见城池险固，兵众甚盛，虏皆意沮欲退”。
如果明经略袁应泰熟谙兵法，调度有方，据城死守，辽阳是不会轻易失陷的。设若努尔哈赤不讲策略，不使用正确的战略战术，一味蛮攻，以弓矢对枪炮，用血肉之躯强登高城，伤亡必大，难以取胜。在这场势均力敌的战争中，统帅决策的正确与否成为决定胜负的主要因素。
面对坚固高大枪炮众多守御甚严的辽阳城，努尔哈赤在这样严重的关键时刻，发挥了非凡的军事指挥才干，夺取了胜利。首先是让将士树立死战胜敌的决心。他针对士卒有畏难情绪，意沮欲退，严正宣布必战死战的决心，声色俱厉地谕告将士说：“一步退时，我已死矣。你等须先杀我，后退去。”言毕，即策马先进。这样斩钉截铁无所畏惧的英雄气概和以身作则身先士卒的榜样行动，对八旗将士发挥了强大影响，使他们转怯为勇，知难而进，军心大振，为打败明兵攻取辽阳奠定了精神基础。
其次，发挥所长，克服所短，发扬骑射野战的长处，尽量诱使明兵出城入伏，合歼敌军，同时遣派细作，混入城内，待机响应。三月十九日，他派遣少数人马横渡太子河，引诱敌人，果然，明军中计了。明辽东经略袁应泰，本来已与诸将议定，“畏敌多，主守”,这时看到后金兵马太少，其骑可数，遂因见贼少而主战，亲督侯世禄、李秉诚、梁仲善、姜弼、朱万良五位总兵，率兵五万，出城五里，在校场扎营。明监军御史方震儒叙述此情说：“沈阳陷后，我兵尚十三万人精壮未尽亡也。贼从代子河渡，其骑可数，而不知贼从三处渡，以少兵诱我耳。始畏贼多主守，既见贼少又主战。”
明军原已畏敌，现在又忽战忽守，军心不定，且饥疲已甚，比开门放军，一时散走。努尔哈赤乘机指挥大军奋力冲杀，明兵大溃而走，军败多死，追杀六十里，至鞍山始回。另一营兵从西门即武靖门出，被后金两红旗兵击败，退入城内，人马自相蹂践，积尸不可胜计。努尔哈赤收兵，回至城南七里安营。袁应泰也住于城外明军扎营之处。
三月二十日，努尔哈赤遣左翼四旗兵攻城的小西门，亲率右翼四旗兵攻东门。明军三万出城，在东门外安营，列枪炮三层，连发不已。经略袁应泰督战，并派号称虎旅军的家丁助阵。努尔哈赤亲率右翼四旗兵猛攻东门外明军，双方激战，明兵败走，后金兵乘势驱杀，明兵溺水而死者满积，壕水尽赤。明总兵梁仲善、朱万良战死，袁应泰退入城内。
此时，左翼四旗兵攻打小西门，阿敏、莽古尔泰、扬古利等领兵奋勇冲击，夺取了西门桥，近城强攻，守军放炮发矢，连绵不断，放火箭、火炮，掷火罐。后金军拼死冲突，坚梯登城，驱杀守兵，夺了西城一面，据其西角楼。努尔哈赤立即停止攻打东城，带兵转往西城，八旗军合兵猛攻。
当天晚上，城内兵举灯火，与后金军拒战达旦。城中官员兵民丧胆惊溃，往来奔走，监军道牛维曜、高出、邢慎言、胡嘉栋等官，并军民等，多坠城而逃。
三月二十一日，黎明，明兵复布车大战，又败。努尔哈赤率领八旗将士猛攻，沿城追杀，明兵大败。先前后金派入城内的细作乘机放火骚扰，后金军攻占了辽阳城。明经略袁应泰自焚而死，巡按张铨拒绝逃走，端坐衙署，被俘之后，不屈而死。其余官民皆迴发降，辽阳城落入后金国汗之手。
后金连陷沈、辽，河东十四卫生灵尽为奴属。努尔哈赤夺取辽阳之后，数日间，金、复、海、盖州卫，悉传檄而陷。据《清太祖武皇帝实录》中载：
辽阳既下，其河东之三河、东胜、长静、长宁、长定、长安、长胜、长勇、长营、静远、上榆林、十方寺、丁字泊、宋家泊、曾迟、镇西、殷家庄、平定、定远、庆云、古城、永宁、镇夷、清阳、镇北、威远、静安、孤山、洒马吉、叆阳、新安、新奠、宽奠、大奠、永奠、长奠、镇江、汤站、凤凰、镇东、镇夷、甜水站、草河、威宁营、奉集、穆家、武靖营、平虏、虎皮、蒲河、懿路、沉河、中固、鞍山、海州、东昌、耀州、盖州、熊岳、五十寨、复州、永宁监、栾古、石河、金州、盐场、望海埚、红咀、归服、黄骨岛、岫岩、青台峪等大小七十余城官民，俱剃发降。
后金军长于野战，短于攻城；而明军长于守城，短于野战，但后金军却能以短击长，在十天之间，连陷沈阳和辽阳。这固然由于明朝政治腐败，失去民心，经略易人，士气不振，情况不明，指挥失措；后金战机有利，将士勇猛，兵力集中，准备周详，器械精利，指挥得当。
但是，更由于努尔哈赤的策略有两个显著的特点：其一，诱敌出城，歼其精锐。如沈阳的贺世贤，辽阳的袁应泰，都误堕其计。这就变敌之长为短，而使己之短为长。其二，用计行间，里应外合。